【消費(fèi)電子實(shí)驗(yàn)室-2021/6/9】“上天、入地、下海、登極”是人類認(rèn)識(shí)自然和挑戰(zhàn)自然的四大壯舉。以大陸科學(xué)鉆探為主的“入地”工程是獲取地下實(shí)物信息的唯一手段, 其難度絕不亞于“上天”工程。

受困于地殼巖石阻隔，人類對(duì)地球內(nèi)部知之甚少。若想對(duì)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)成分進(jìn)行探測，最直接、最有效和最可靠的方法是向地球縱深打一口科學(xué)鉆探井，將人類的“視距”向地球內(nèi)部延伸數(shù)千米甚至上萬米，進(jìn)而一探究竟。

7018米！

2018年6月2日，由我國自主研發(fā)的萬米鉆機(jī)“地殼一號(hào)”正式宣布完成“首秀”：以完鉆井深7018米創(chuàng)亞洲國家大陸科學(xué)鉆井新紀(jì)錄,標(biāo)志著中國成為繼俄羅斯和德國之后,世界上第三個(gè)擁有實(shí)施萬米大陸鉆探計(jì)劃專用裝備和相關(guān)技術(shù)的國家，這讓參與其中的科研人員激動(dòng)不已。

為滿足我國地球深部探測工程的重大需求，我國于2009年啟動(dòng)了“深部探測技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究專項(xiàng)”，其中第九項(xiàng)目“深部探測關(guān)鍵儀器裝備研制與實(shí)驗(yàn)”由吉林大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師黃大年擔(dān)任負(fù)責(zé)人，該項(xiàng)目的第五課題“深部大陸科學(xué)鉆探裝備研制”由時(shí)任吉林大學(xué)副校長、教授孫友宏擔(dān)任負(fù)責(zé)人，該課題的主要任務(wù)是研制“地殼一號(hào)”萬米鉆機(jī)。

2013年10月15日，50輛大型拖車裝載著被分拆成零件的“地殼一號(hào)”從四川省廣漢市出發(fā)前往東北；2014年4月13日零點(diǎn)，“地殼一號(hào)”萬米鉆機(jī)在位于松遼盆地的松科二井現(xiàn)場實(shí)施開鉆作業(yè)；2018年，松科二井正式完井，超額完成預(yù)定目標(biāo)，在理論、技術(shù)、工程、裝備等方面均實(shí)現(xiàn)了重大突破，極大地提升了我國地球深部探測的能力和影響力。

進(jìn)軍

一場科技競賽在地球內(nèi)部展開

“上天、入地、下海、登極”是人類認(rèn)識(shí)自然和挑戰(zhàn)自然的四大壯舉。以大陸科學(xué)鉆探為主的“入地”工程是獲取地下實(shí)物信息的唯一手段, 其難度絕不亞于“上天”工程。

受困于地殼巖石阻隔，人類對(duì)地球內(nèi)部知之甚少。若想對(duì)地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和物質(zhì)成分進(jìn)行探測，最直接、最有效和最可靠的方法是縱深向地球內(nèi)部打一口科學(xué)鉆探井，將人類的“視距”向地球內(nèi)部延伸數(shù)千米甚至上萬米，進(jìn)而一探究竟。

通過科學(xué)鉆探，在地質(zhì)學(xué)方面，可以研究地球深部構(gòu)造及演化、地球深部流體及其作用，校驗(yàn)地球物理探測結(jié)果；在資源能源開發(fā)利用方面，可以研究成礦理論、油氣成因，調(diào)查和開發(fā)深部熱能；在環(huán)境科學(xué)方面，可以研究地震成因、火山噴發(fā)機(jī)理、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警、地球氣候演變、生命演化歷史。因此，科學(xué)鉆探被形象地譽(yù)為了解地球內(nèi)部信息的“望遠(yuǎn)鏡”。

基于此，上世紀(jì)末一些先行者開始向地球深處“進(jìn)軍”。

大陸科學(xué)鉆探工程開始于20世紀(jì)60年代初，蘇聯(lián)地質(zhì)學(xué)家H.A.別里亞耶夫斯基等人根據(jù)深部地球物理資料提出，為獲取整個(gè)地殼剖面，至少要在全球6個(gè)地區(qū)打超深井。

1970年，由蘇聯(lián)科學(xué)家主導(dǎo)的科拉超深鉆孔工程啟動(dòng)，其中最深的一個(gè)鉆孔SG-3超深孔1986年3月達(dá)到11300米。與此同時(shí)，其他國家也開始了在這方面的探索，例如美國的羅杰斯1號(hào)孔（9583米，1974年）和德國的KTB井（9101米，1994年）。

1996年，國際大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃(ICDP)正式成立以來，更多國家開始參與制定并組織實(shí)施科學(xué)鉆探，加入到國際大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃中來。此時(shí)，各國爭先恐后的重要原因，在于以深井油氣鉆探裝備為依托的大陸科學(xué)鉆探工程，在一定程度上反映了一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技發(fā)展水平。這是一場科技競賽，誰也輕易不敢掉隊(duì)。

而在那時(shí)，我國最深的科學(xué)鉆探孔為CCSD-1孔，深度僅為5158米。

攻關(guān)

見招拆招解決“三高”難題

超深孔鉆探面臨一系列的世界級(jí)難題，其中最難以攻克的，便是要在地球的高溫、高壓、高地應(yīng)力“三高”條件下，確保鉆具的配件和電子元件能正常工作、取芯工作能夠順利進(jìn)行。

為解決“三高”難題，我國的科技工作者們進(jìn)行了艱苦卓絕的科研攻關(guān)。

經(jīng)過4年多的努力，吉林大學(xué)成功研發(fā)出了我國首臺(tái)萬米大陸科學(xué)鉆探專用裝備——“地殼一號(hào)”萬米鉆機(jī)，解決了我國深部鉆探裝備轉(zhuǎn)盤回轉(zhuǎn)速度低、設(shè)備自動(dòng)化程度低和深部鉆探鉆頭壓力控制精度低的三大技術(shù)難題，突破了高轉(zhuǎn)速全液壓頂部驅(qū)動(dòng)鉆進(jìn)、高精度自動(dòng)化擺排管、高速度鉆桿柱自動(dòng)擰卸輸送和高精度自動(dòng)送鉆四大深部鉆探裝備關(guān)鍵技術(shù)，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能深部科學(xué)鉆探裝備和配套裝置，填補(bǔ)了我國在深部大陸科學(xué)鉆探裝備領(lǐng)域空白，大大提高了我國超深井科學(xué)鉆探裝備的技術(shù)水平。

“此外，‘地殼一號(hào)’萬米鉆機(jī)還應(yīng)用了一套由我們研發(fā)的自動(dòng)化鉆井裝置，其主要包括自動(dòng)擺排管裝置、自動(dòng)擰卸裝置、自動(dòng)‘貓道’裝置以及我們國內(nèi)鉆深能力最大的一臺(tái)全液壓頂驅(qū)裝置。”吉林大學(xué)機(jī)械學(xué)院教授沙永柏說。

地球內(nèi)部的高溫泥漿，被譽(yù)為鉆井的“血液”。在鉆井過程中，井鉆得越深，泥漿溫度越高，鉆探技術(shù)難度越大。

在對(duì)國內(nèi)外近30家泥漿材料供應(yīng)商的產(chǎn)品進(jìn)行遴選和配方試驗(yàn)后，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院勘察與基礎(chǔ)工程系教授烏效鳴研制出一種超高溫水基鉆井液配方，使鉆井設(shè)備可經(jīng)受住240攝氏度以上的高溫考驗(yàn)，刷新我國鉆井液應(yīng)用的最高溫度紀(jì)錄，給工程節(jié)省大量資金，保障了鉆孔安全。

成就

相關(guān)成果服務(wù)“一帶一路”

巖心作為地下巖石的剖面截取物，是人類了解地球深部唯一的實(shí)物資料。取出巖心后，地學(xué)家們通過技術(shù)手段對(duì)其進(jìn)行分析研究，借此來了解地球的成因、研究古環(huán)境古氣候的變化規(guī)律、研究地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、發(fā)現(xiàn)礦產(chǎn)資源和油氣資源。

“高于96%的取心率，獲得了連續(xù)完整的4014米巖心。”“地殼一號(hào)”工程項(xiàng)目取得的眾多成果中，這一項(xiàng)被地質(zhì)專家們津津樂道。

按照要求，從井中取出的圓柱形巖心，無論大小，其每間隔10厘米或20厘米要貼上唯一的“身份證”編碼，包括鉆孔名稱、回次號(hào)、巖心段等信息。這些數(shù)據(jù)伴隨巖心一起被存入國家實(shí)物地質(zhì)資料庫。借助“地殼一號(hào)”萬米鉆機(jī)獲得的這些巖心，為我國科學(xué)家建立地球演化檔案提供了難得的資料，也為大慶油田未來50年時(shí)發(fā)展和我國能源安全提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。

松科二井工程首席科學(xué)家、中國科學(xué)院院士王成善說，松科二井完井是國際大陸科學(xué)鉆探計(jì)劃歷程中一件大事，也是中國入地工程的一件標(biāo)志性事件。實(shí)施這個(gè)工程最主要目的就是要探究距今6500萬年至1億4千萬年期間，即白堊紀(jì)時(shí)期重大地質(zhì)事件、烴源巖的生成與古環(huán)境古氣候變化的奧秘。

據(jù)了解，目前“地殼一號(hào)”鉆機(jī)的相關(guān)技術(shù)成果已經(jīng)成功應(yīng)用于我國低溫鉆機(jī)系列設(shè)備中，比如“極光”號(hào)極地鉆機(jī)。

目前，“極光”號(hào)極地鉆機(jī)已被應(yīng)用在俄羅斯北極圈亞馬爾高寒地區(qū)油氣勘探作業(yè)中。亞馬爾液化天然氣項(xiàng)目是中俄能源合作的重大項(xiàng)目，是中國提出“一帶一路”倡議后實(shí)施的首個(gè)海外特大型項(xiàng)目。

“極光”號(hào)極地鉆機(jī)是應(yīng)用于中俄亞馬爾液化天然氣項(xiàng)目的重要大型設(shè)備，該鉆機(jī)可在零下50攝氏度低溫和12級(jí)以上強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下連續(xù)工作。這也是我國制造的首臺(tái)可以在零下55攝氏度環(huán)境作業(yè)的極地鉆機(jī)。

“地殼一號(hào)”項(xiàng)目的技術(shù)成果還被廣泛應(yīng)用于深部油氣鉆機(jī)和海洋鉆機(jī)鉆井包中，應(yīng)用其成果的相關(guān)設(shè)備出口到阿聯(lián)酋、委內(nèi)瑞拉、俄羅斯、美國等多個(gè)國家和地區(qū)。

相關(guān)行業(yè)專家表示，“地殼一號(hào)”萬米鉆機(jī)的研制及應(yīng)用，標(biāo)志著我國地學(xué)領(lǐng)域?qū)Φ厍蛏畈刻綔y的“入地”計(jì)劃取得重大階段性進(jìn)展，為后續(xù)國家地殼探測工程的全面實(shí)施、探求地球深部奧秘提供了高技術(shù)手段，也將帶動(dòng)我國深部油氣資源和地?zé)豳Y源勘探開發(fā)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。